碳鋼與承載不銹鋼異種鋼焊接的焊材選用

韋青平

（華西能源工業股份有限公司， 四川 自貢 643000）

目前，在垃圾發電及生物質余熱鍋爐中，過熱器，省煤器迎風面管材上焊接不銹鋼材料以避免管材腐蝕及磨損。根據管子內溫度和爐膛溫度，在過熱器，省煤器選用耐熱鋼或碳鋼，防腐防磨材料為奧氏體不銹鋼。下面對碳鋼鋼板與防磨板（材料為06Cr25Ni20）焊接式樣試驗，從而找出滿足性能要求及使用要求，同時又能降低制造成本的焊接材料。

1 焊接對比試驗

1.1 試驗材料

試驗用母材及焊材的化學成分和力學性能見表1。母材Q345R，符合GB/T 713—2014標準；母材06Cr25Ni20符合GB/T4238—2015；焊材E3019-16符合GB/T983—2012和NB/T47018.2—2017；焊材E5015-A1符合GB/T 5118—2012和NB/T 47018.2—2017。

表1 試驗用母材及焊材的化學成分和力學性能

1.2 焊接方法及工藝參數

碳鋼Q345R與不銹鋼鋼板06Cr25Ni20對接，δ=20 mm，V型坡口，單面30°。試板采用Φ3.2 mm焊條打底，Φ4 mm焊條打底，背面清根，Φ4 mm焊妥。焊接完成后，兩塊試板RT 100%檢查。探傷合格后進行焊后熱處理。焊接及熱處理參數見表2。

表2 焊接及熱處理參數

2 結果與分析

2.1 力學性能

兩個式樣力學性能抗拉強度，1號式樣：561 MPa、585 MPa，斷裂在碳鋼側；2號式樣：619 MPa、610 MPa，斷裂在碳鋼側；其強度高于母材最小抗拉強度485 MPa。350℃高溫下抗拉強度見表3。

表3 式樣瞬時高溫性能

按NB/T 47014—2011對各式樣進行側彎180°，試驗結果合格。

常溫沖擊試驗，兩側熱影響區和焊縫沖擊試驗合格。

2.2 金相組織分析

圖2 式樣1不銹鋼側熔合區（200×）

圖3 式樣2碳鋼側熔合區（200×）

上面圖片為式樣1和式樣2兩側母材與焊縫熔合區金相照片：從圖1～圖4金相照片可得出：

圖1 式樣1碳鋼側熔合區（200×）

圖4 式樣2不銹鋼側熔合區（200×）

1）采用不銹鋼焊條的式樣1在碳鋼側熔合區出現較為明顯的脫碳層，在不銹鋼側焊縫呈現焊縫柱狀晶形狀。其焊縫組織未A+C點。

2）采用耐熱鋼焊條的式樣2在碳鋼側熔合區晶粒細小均勻，組織為F+S，與母材組織相似。不銹鋼側未出現明顯的脫碳層。

3 綜合分析

根據NB/T 47014的相關要求，從常溫力學性能以及瞬時高溫性能看，式樣1和式樣2都能滿足標準要求。

不銹鋼與碳鋼焊接為異種鋼焊接，在異種鋼焊接過程中，需克服幾個大的問題，比如：焊縫合金元素與母材的匹配，碳遷移產生的脫碳層性能下降，以及材料的熱膨脹系數不同產生的熱應力等。在鍋爐運行過程中，其管子起到熱交換作用，其承受內部壓力，以及管子內外壁熱應力。對于式樣1，在碳鋼側出現脫碳層，根據現有研究：在貧碳區中有塑性應變集中現象，導致其損傷加劇，成為裂紋擴展過程的較弱環節[1]。采用不銹鋼焊條焊接式樣，碳鋼側易出現脫碳層，其性能降低，在鍋爐運行過程中，受熱應力影響管子會拉裂，裂紋在熔合區擴展，最終鍋爐漏水引起鍋爐停爐。從保護管子角度，并避免受壓部件側出現脫碳層以滿足安全使用要求，其焊接材料應采用非不銹鋼焊條為宜。

4 結論

1）在垃圾爐生產制造中，碳鋼與非承載不銹鋼異種鋼焊接，選擇耐熱鋼焊條，和不銹鋼鋼條都能滿足焊接接頭力學性能。

2）為保證垃圾余熱鍋爐產品安全使用，保證管子長效使用，應選用耐熱鋼焊條以避免管子側出現脫碳層，并避免焊縫出現應力集中。